医用智能输液监控系统的研究与设计可编辑.docx

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医用智能输液监控系统的研究与设计可编辑

NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics

TheGraduateSchool

CollegeofAutomationEngineering

ResearchandDesignofIntelligentMedical

InfusionMonitoringSystemAThesisin

Measuring&TestingTechnologyandInstruments

by

GuoWen

Advisedby

AssociateProf.WangHaitao

SubmittedinPartialFulfillment

oftheRequirements

fortheDegreeof

MasterofEngineering

February,2013承诺书

本人郑重声明:

所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,

独立进行研究工作所取得的成果。

尽我所知,除文中已经注明

引用的内容外,本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著

作权的内容。

对本文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和

集体,均已在文中以明确方式标明。

本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复

印件,允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分

内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等

复制手段保存论文。

（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）

作者签名:

日期:

南京航空航天大学硕士学位论文

摘要

静脉输液作为医疗护理中一项重要的治疗技术,因其给药迅速、疗效快、刺激小,临床应

用十分普遍。

但是,目前输液过程主要以人工监控为主,差错率较高,影响了治疗质量。

本文

研制了一套新型医用智能输液监控系统,由输液监控仪和输液监护管理系统组成。

系统具有实

时监控输液滴速、药液温度、输液状态等功能,它以单一患者为治疗对象,同时监控多个输液

通道的输液数据。

本文具体工作内容总结如下:

1.研制一套能够实时监控输液滴速、药液温度、异常情况等信息的输液监控仪,并将采集

到的输液数据通过RS485总线传送给主控PC机。

设计了输液监控仪的硬件电路和机械结构,

包括单片机及外围电路、滴速控制模块、温度控制模块、报警模块、电源模块、人机交互模块、

通信模块。

2.开发一套用于所设计的输液监控仪的软件,采用模块化程序设计方法,使用KeilC51语

言编写,实现对输液数据的实时采集和监控功能。

使用VisualC++6.0软件编写了一套输液监护

管理系统,同时监控多个输液通道的输液滴速和温度,及时报警提示输液过程中的异常情况,

并记录保存全部输液数据,对患者的输液信息进行科学化管理。

3.设计输液滴速测量、滴速控制和输液温度控制准确性实验方案,并按照方案进行实验,

分析和讨论了实验结果,验证了本系统设计的可行性和可靠性。

本文研制的医用智能输液监控系统具有使用方便、性价比高等优点,满足医院的实际使用

要求。

本系统提高了输液过程的安全性,减轻了医护人员的工作负担,实现了静脉输液的网络

化和智能化,具有广泛的应用前景。

关键词:

静脉输液,单片机,输液滴速,药液温度,智能监控,RS485

I医用智能输液监控系统的研究与设计

ABSTRACT

Asanimportantmeansoftherapeutictechnique,intravenousinfusioniswidelyusedinclinical

treatmentbecauseofitsrapiddruginfusion,fasteffectandsmallstimulate.However,infusionprocess

mainlydependsonmanualmonitoringsothatithasahigherrorratewhichmayaffectthequalityof

treatment.Anewtypeofintelligentmedicalinfusionmonitoringsystemincludinginfusion

monitoringdeviceandinfusionmonitoringandmanagementsystemisdeveloped,whichhasthe

functionofreal-timemonitoringoftheinfusiondrippingspeed,drugliquidtemperatureandinfusion

statuswhichcanreflectwhetherthereisabnormalsituation,etc.Thissystemisusedforthetreatment

ofasinglepatient,monitoringdataofseveralinfusionchannelssimultaneouslyThespecificcontentcansummarizedasfollow:

1Hardwarecircuitsandmechanicalstructuresofinfusionmonitoringdevicearedesignedto

monitorreal-timeinfusionstatusofsingleinfusionchannelandsendthecollectedinfusion

informationincludinginfusiondrippingspeed,drugliquidtemperatureandabnormalsituation,etc.to

centralcontrolcomputerthroughRS485bus,includingMCUandperipheralcircuits,infusion

drippingspeedcontrolmodule,drugliquidtemperaturecontrolmodule,alarmmodule,powersupply

module,human-computerinteractionmodule,communicationmodule

2Softwareforinfusionmonitoringdeviceisdeveloped,usingKeilC51programming

languageandmodularprogrammingmethod,whichachievesthefunctionofacquisitionand

monitoringinfusiondata.InfusionmonitoringandmanagementsystemisdevelopedbyVisual

C++6.0programmingsoftware,whichmonitorsinfusiondrippingspeedanddrugliquidtemperature

ofseveralinfusionchannels,alarmstopromptabnormalsituationintime,allinfusiondataare

recordedandpreserved,patient’stransfusioninformationarescientificallymanaged3Infusiondrippingspeedmeasurement,infusiondrippingspeedcontrolanddrugliquid

temperaturecontrolaccuracyexperimentsaredesignedandexperimentalresultsareanalyzedand

discussed,whichverifythefeasibilityandreliabilityofdesignedsystemIntelligentmedicalinfusionmonitoringsystemdesignedinthispaperhastheadvantagesofeasy

touseandahighratioofperformancetopricewhichbasicallymeetstherequirementsofhospitalsThissystemnotonlyensuresthesafetyofinfusionprocess,reducestheburdenofnurses,butalso

makesintravenousinfusionnetworkcenteredandintelligentize,whichhasawiderangeofapplication

prospects

II南京航空航天大学硕士学位论文

Keywords:

IntravenousInfusion,Microcontroller,InfusionDrippingSpeed,DrugLiquid

Temperature,IntelligentMonitoring,RS485

III医用智能输液监控系统的研究与设计

第一章绪论1

1.1课题研究背景和意义1

1.2国内外研究现状和发展趋势2

1.2.1医用智能输液设备概述2

1.2.2医用智能输液监控系统国内外研究现状5

1.2.3医用智能输液监控系统发展趋势7

1.3主要工作和章节安排9

1.4本章小结10

第二章医用智能输液监控系统方案研究.11

2.1静脉输液基础理论11

2.2医用智能输液监控系统需求分析13

2.3医用智能输液监控系统整体设计方案14

2.3.1多通路输液监控系统方案设计.14

2.3.2输液监控仪设计方案16

2.4系统设计方案元器件选型分析17

2.4.1微控制器选型分析17

2.4.2系统元器件选型分析18

2.5本章小结19

第三章输液监控仪的硬件设计20

3.1滴速控制模块设计20

3.1.1液滴信号采集传感器20

3.1.2液滴信号调理电路设计.23

3.1.3步进电机控制单元电路设计25

3.1.4机械传动装置设计26

3.2温度控制模块设计27

3.2.1温度采集单元设计27

3.2.2加热装置设计28

3.2.3加热控制电路设计30

3.3报警模块设计31

IV南京航空航天大学硕士学位论文

3.3.1液位采集电路设计31

3.3.2声光报警电路设计32

3.4单片机及外围电路设计33

3.5电源模块设计34

3.6人机交互模块设计35

3.6.1矩阵键盘单元设计35

3.6.2LCD显示单元设计36

3.7通信模块设计37

3.8本章小结38

第四章输液监控仪的软件设计与实现39

4.1软件开发工具介绍39

4.2输液监控仪软件设计.41

4.2.1系统主控制程序设计41

4.2.2滴速测量和控制程序设计42

4.2.3温度控制程序设计44

4.3本章小结45

第五章输液监护管理系统软件开发46

5.1系统软件开发工具介绍46

5.2输液监护管理系统软件设计.47

5.2.1软件界面设计47

5.2.2系统主程序设计.48

5.2.3串口通信程序设计49

5.3本章小结51

第六章系统实验测试及结果分析.52

6.1滴速测量和控制准确性实验.52

6.1.1滴速测量准确性实验52

6.1.2滴速控制准确性实验53

6.2输液温度控制准确性实验54

6.3本章小结55

第七章总结与展望.56

7.1研究工作总结56

7.2研究工作展望57

V医用智能输液监控系统的研究与设计

参考文献.58

致谢.61

在学期间的研究成果及发表的学术论文62

VI南京航空航天大学硕士学位论文

图表清单

图1.1盘状蠕动泵.3

图1.2指状蠕动泵.4

图1.3注射泵4

图1.4弹性输液泵.5

图1.5半挤压式输液泵6

图2.1医用智能输液监控系统整体设计框图.15

图2.2输液监控仪系统结构框图16

图3.1液滴信号检测传感器.20

图3.2红外发射二极管特性曲线21

图3.3红外光敏三极管的感光特性曲线22

图3.4红外传感器电路23

图3.5红外接收管两端的电压波形23

图3.6液滴信号调理电路24

图3.7信号调理电路处理后的液滴信号波形.25

图3.8步进电机驱动电路26

图3.9滴速调节装置设计图.26

图3.10滴速控制机械传动装置实物图27

图3.11温度传感器DS18B20电路28

图3.12PTC热敏电阻特性曲线28

图3.13陶瓷PTC热敏电阻29

图3.14PTC加热器.29

图3.15加热装置设计图.29

图3.16加热控制电路30

图3.17液位信号采集传感器31

图3.18液位信号采集电路.32

图3.19声光报警装置电路.32

图3.20STC89C52RC单片机及外围电路.33

图3.21外接电源接口电路.35

图3.22输液监控仪4×4键盘电路35

图3.23输液监控仪LCD12864电路36

图3.24RS485串口通信电路.38

VII医用智能输液监控系统的研究与设计

图4.1KeilC51程序编辑界面39

图4.2STC官方烧写软件界面.40

图4.3系统主控制流程图41

图4.4输液滴速测量程序流程图43

图4.5输液滴速控制程序流程图44

图4.6温度检测和控制流程图.45

图5.1VisualC++6.0的程序编辑界面.46

图5.2输液监护管理系统软件主界面.47

图5.3串口设置界面.48

图5.4报警门限设置界面48

图5.5输液监护管理系统程序流程图.49

图5.6PC机串口通信程序流程图.50

表3.1LCD12864引脚说明37

表5.1MSComm控件常用属性51

表6.1滴速测量准确性实验结果52

表6.2滴速控制准确性实验结果53

表6.3温度控制准确性实验结果54

VIII南京航空航天大学硕士学位论文

缩略词

序号缩略词英文全称中文名称

1TMSTransfusionManagementSystem输液管理系统

2HISHospitalInformationSystem医院信息管理系统

3WLANWirelessLocalAreaNetworks无线局域网络

4RFIDRadioFrequencyIdentification射频识别技术

5MEMSMicro-Electro-MechanicalSystems微机电系统

6CCUCoronaryCareUnit冠心病监护病房

8PCPersonalComputer个人电脑

9MCUMicroControllerUnit微控制器

10RAMRandomAccessMemory随机存取存储器

11ROMRead-OnlyMemory只读存储器

12LEDLightEmittingDiode发光二极管

13ICUIntensiveCareUnit重症加护病房

14PTCPositiveTemperatureCoefficient正温度系数效应

15ISPInSystemProgramming在系统编程

IX南京航空航天大学硕士学位论文

第一章绪论

1.1课题研究背景和意义

静脉输液（IntravenousInfusion,II）是医疗护理中一项重要的治疗技术,因其给药迅速、

疗效快、刺激小,临床应用十分普遍,特别是急救、疾病治疗等情况下,更是必不可少的治疗

措施。

随着医疗技术的发展和医疗水平的提高,通过静脉输液进行给药、补充营养、调节体液

[1]

平衡等已经逐渐成为诊疗工作中不可或缺的方法,开辟的输液通道也越来越多。

据统计,住

院患者需要接受静脉输液治疗的比例为70%~80%。

目前全球约有5000万患者需要经常使用输

液设备进行输液,世界输液设备市场年销售额高达830亿美元,具有良好的市场前景。

在临床医学中,静脉输液虽然应用广泛,但目前普遍使用的输液工具仍然是传统的茂菲氏

输液器,且以人工监控为主。

输液时需要将输液瓶（袋）悬挂在输液架上或者高于患者的穿刺

部位,利用势差将药液输入患者体内,护士凭借肉眼观察茂菲氏管中的液滴并估计输液滴速,

根据经验手动调节输液器上的滑轮来控制输液速度。

输液过程中护士需要不停地巡检,并由患

者或陪护人员观察剩余药液量,当药液即将输完或者滴速出现异常时,及时通知值班护士前来

处理。

这样不仅增加了医护人员的劳动强度,导致差错率大为上升,而且不利于患者的休息,

影响了治疗质量。

如果发生药液输完或者输液管堵塞等情况而护士未能及时处理,则有可能会

发生回血或其他危险,给患者造成痛苦,甚至导致医疗事故。

对于不同个体状况的患者,不同的输液目的和输液药物,所需要的输液速度不一样。

一般

情况下,成年人的输液速度常在40~60滴/分钟,而儿童、老年人的输液速度则不宜超过40滴/

分钟。

在输液过程中,如果输液速度过快,单位时间内进入人体内的药物剂量过大,可使循环

血量突然增加,心脏负荷加重,可能会引起很多副作用或不良反应,例如急性心衰和肺水肿,

甚至会有生命危险。

输液过慢则可能导致药量不够或无谓地延长输液时间,影响治疗效果,给

[2]

患者和护理工作增加不必要的负担。

对于某些特殊药物的静脉输液,如麻醉药、降压药、催

产素等,需要严格控制输液速度,手工调节难以达到所需的精度要求。

因此,在输液过程中对

输液速度的精确检测和控制是十分必要的。

目前市场上的输液泵可以替代传统的重力式输液装置,实现更加精确安全地给药。

但是输

液泵经过长时间使用会使泵头和滑块产生磨损,由于采用开环控制输液速度,导致输液精度大

大降低。

近年来,许多国内外学者和医疗机构致力于医用智能输液监控系统的研究,并研制了

多种类型的输液监控装置。

但是这些输液装置或多或少存在缺陷或者安全隐患,且由于体积大、

成本高、精度低、经常误报警、智能化程度不高等原因,增加了医院和患者的负担,并没有得

1医用智能输液监控系统的研究与设计

到广泛的应用。

在寒冷的季节里,尤其是冬季输液过程中,常常会因为气温过低导致输入患者体内的药液

温度与人体体温相差较大,大剂量低温液体进入人体后,增加了患者体内的热能消耗,继而出

[3]

现肢体发冷、寒颤甚至血管痉挛等症状,造成微循环血流速度降低,影响治疗质量,尤其是

术后病人、老年患者、婴儿以及发烧